WO2009089912A1 - Buck-konverter und verfahren zum bereitstellen eines stroms für mindestens eine led - Google Patents

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buck converter
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Bernd Rudolph
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/1563—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators without using an external clock
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a buck converter for providing a current for at least one LED having an input with a first and a second input terminal for connecting a DC voltage source, an output having a first and a second output terminal for connecting the at least one LED and a buck diode, a buck inductor and a buck main switch having a control electrode, a working electrode and a reference electrode. It also relates to a corresponding method for providing a current for at least one LED by means of a Buck converter.
  • the object of the present invention is, therefore, to further develop a Buck converter mentioned above in such a way that it can be used as the lowest-cost power supply circuit for at least one LED application. Moreover, the object of the present invention is to provide a suitable method for providing a current for at least one LED by means of a buck converter.
  • the present invention is based on the finding that these objects can be achieved if a buck converter is set up as a two-point controller for the current to be provided to the at least one LED.
  • the buck converter is to be constructed in such a way that it is possible to determine the turn-on and turn-off time of the Buck main switch only by the base-emitter forward voltage of a small-signal bipolar transistor.
  • the maximum value and the minimum value of the current can be set by the at least one LED and thus its mean value and its ripple.
  • the buck converter can be operated in continuous mode, ie the minimum value of the current provided to the at least one LED is not equal to zero. If necessary, further required active switches can also be embodied as bipolar transistors in a particularly cost-effective manner.
  • the maximum value of the current provided to the at least one LED is determined by the first auxiliary switch and the minimum value of this current by the second auxiliary switch.
  • the first voltage and the second voltage are dimensioned such that in the freewheeling phase of the Buck converter, the first auxiliary switch before the second auxiliary switch in the non-conductive state.
  • the time when which auxiliary switch transitions to the non-conducting state can thereby be set in a particularly simple manner by dimensioning the associated ohmic resistance at which the corresponding voltage is tapped.
  • the first and the second auxiliary switch each have a control electrode, a reference electrode and a working electrode, wherein the first voltage and the second voltage between the control electrode and the reference electrode of the respective auxiliary switch are coupled, wherein in the freewheeling phase of the Buck converter, the second voltage greater than the first voltage is.
  • the buck converter further comprises a first shunt resistor and a second shunt resistor, wherein the voltage dropping at the first shunt resistor represents the first voltage and wherein the voltage dropping at the second shunt resistor represents the second voltage.
  • the first shunt resistor is arranged such that it is flowed through in the charging phase of the buck converter by the current provided to the at least one LED current. Since in the charging phase of the buck converter no current flows in the branch in which the buck diode is arranged, such allows Arrangement of the first shunt resistor setting the maximum value of the current provided to the at least one LED.
  • the first shunt resistor is preferably coupled between the second output terminal and a reference potential.
  • the first voltage is related to the reference potential and allows a particularly simple coupling to the first auxiliary transistor, provided that its reference electrode is also coupled to the reference potential.
  • the second shunt resistor is arranged such that it is flowed through in the freewheeling phase, but not in the charging phase of the buck converter, from the current provided to the at least one LED. This makes it possible to correlate the voltages dropping across the two shunt resistors, in particular in the freewheeling phase of the buck converter. The activation of the first auxiliary switch to terminate the charging phase of the Buck converter is thus unaffected by the second voltage.
  • the second shunt resistor is coupled between the buck diode and a reference potential.
  • the second auxiliary transistor can take place if the latter is likewise coupled to the reference potential.
  • the first shunt resistor is preferably smaller than the first second shunt resistor.
  • At least the first and the second auxiliary switch are designed as bipolar transistors, wherein the voltage dropping at the first shunt resistor as base-emitter voltage to the first auxiliary switch and the voltage dropping at the second shunt resistor as emitter base Voltage is coupled to the second auxiliary switch.
  • the buck converter comprises a third auxiliary switch, which has a control electrode, a working electrode and a reference electrode, wherein the reference electrode of the third auxiliary switch is coupled to a reference potential, wherein the working electrode of the third auxiliary switch is connected to the control electrode of the buck Main switch is coupled, wherein the control electrode of the third auxiliary switch is coupled to the first and the second auxiliary switch.
  • the first and second auxiliary switches control the third auxiliary switch in parallel, which in turn controls the Buck main switch.
  • first and the second auxiliary switch each have a control electrode, a working electrode and a reference electrode, wherein the distance working electrode - reference electrode of the first auxiliary switch and the distance working electrode - control electrode of the second auxiliary switch parallel to Steuerstre- , ie the distance control electrode - reference electrode, the third auxiliary switch are coupled.
  • the voltage dropping across the first shunt resistor is coupled between the reference and the control electrode of the first auxiliary switch, and the voltage dropping across the second shunt resistor is connected between the control and reference electrodes of the second auxiliary switch.
  • control electrode of the third auxiliary switch is coupled via an ohmic resistor to the first input terminal. This ensures that the third auxiliary switch on application of a DC supply voltage to the input of the Buck converter turns on the Buck main switch to allow a start of the Buck converter according to the invention.
  • a capacitor is coupled between the control electrode and the reference electrode of the third auxiliary switch. This serves the base potential of the third auxiliary switch at the transition of Leitendzuident from the first auxiliary switch to the third auxiliary switch
  • control electrode of the Buck main switch is coupled via a resistor to the first input terminal. This clears the base of the Buck main switch, so far as this is realized as a bipolar transistor, accelerates.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a buck converter according to the invention.
  • This has an input with a first El and a second input terminal E2, between which a low-voltage DC voltage source Vl with present 9 V is coupled.
  • the input terminal E2 is coupled to a reference potential.
  • the series connection of a Buck main switch Q2 Between the first El and the second input terminal E2, the series connection of a Buck main switch Q2, a buck diode Dl and an ohmic resistor R2 is coupled.
  • a Buck thrush Ll Between the connection point of the Buck main switch Q2 and the Buckdio Dl on the one hand and a first output terminal Al is a Buck thrush Ll coupled.
  • an LED which is represented in the diagram by the series connection of D2, D3, D4 and D5 coupled.
  • an ohmic resistor R3 is coupled between the output terminal A2 and the reference potential.
  • the voltage dropping across the ohmic resistor R3 is coupled via an ohmic resistor R7 to the base of a first auxiliary switch Q4 whose emitter is also coupled to the reference potential.
  • the collector of the first auxiliary switch is coupled to the first input terminal El via an ohmic resistor R4.
  • the buck converter further has a second auxiliary switch Q5 whose E-mitter is coupled to the connection point between the buck diode Dl and the ohmic resistor R2.
  • the base of the second auxiliary switch Q5 is also coupled via an ohmic resistor R6 to the reference potential.
  • the collector of the second auxiliary switch Q5 is coupled to the connection point between the ohmic resistor R4 and the collector of the first auxiliary switch Q4 via an ohmic resistor R5.
  • This connection point is coupled to the base of a third auxiliary switch Q3 whose emitter is coupled to the reference potential.
  • the collector of the third auxiliary switch Q3 is coupled via an ohmic resistor Rl to the base of the Buck main switch Q2.
  • a capacitor C1 is connected between the base of the third auxiliary switch Q3 and the reference potential.
  • an ohmic resistor R8 is connected.
  • the first auxiliary switch Q4 When the voltage dropping across the ohmic resistor R3 exceeds the base-emitter threshold voltage of the first auxiliary switch Q4 of approximately 0.6 V, the first auxiliary switch Q4 is switched to the conducting state. As a result, the base current previously provided via the ohmic resistor R4 to the third auxiliary switch Q3 is conducted to the reference potential via the first auxiliary switch Q4. The third auxiliary switch Q3 thereby enters the non-conductive state, whereby as a result of the buck-main switch Q2 is turned off. The free-wheeling phase of the Buck converter has begun.
  • a current flows from the reference potential via the ohmic resistor R2, the buck diode Dl, the buck inductor Ll and the LED D2 to D5 and the ohmic resistor R3 back to the reference potential.
  • the second auxiliary switch Q5 is switched to the conducting state and thus ensures that the third auxiliary switch Q3 and thus the Buck main switch Q2 remain safely switched off.
  • the current I LED provided to the LEDs D2 to D5 continuously decreases, but due to the dimensioning selected, the voltage dropping across the ohmic resistor R2 is always greater than the voltage dropping across the ohmic resistor R3.
  • the upper limit of the current I LED is determined to be:
  • the frequency of the triangular current I LED is determined by the input voltage Vl, the voltage drop across the LED D2 to D5, the inductance of the buck inductor Ll and the limits for the minimum I LEDmin and the maximum LED current I LEDmax .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) mit einem Eingang mit einem ersten (E1) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle (V1); einem Ausgang mit einem ersten (A1) und einem zweitenAusgangsanschluss (A2) zum Anschließen der mindestens einen LED (D2, D3, D4, D5); und einer Buckdiode (D1), einer Buckdrossel (L1) und einem Buck-Hauptschalter (Q2), der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrodeund eine Bezugselektrode aufweist; wobei die Buckdiode (D1) und der Buck-Hauptschalter (Q2) seriell zwischen den ersten (E1) und den zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt sind, wobei die Buckdrossel (L1) zwischen den Verbindungspunkt der Buckdiode (D1) und des Buck- Hauptschalters (Q2) einerseits und den ersten Ausgangsanschluss (A1) andererseits gekoppelt ist, und wobei der Buck-Konverter weiterhin umfasst: einen erstenHilfsschalter (Q4), dem eine erste Spannung (UR3) zugeführt wird, die mit dem an die mindestenseine LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestellten Strom (ILED) korreliert ist; und einen zweiten Hilfsschalter (Q5), dem eine zweite Spannung (U R2) zugeführt wird, die mit dem an die mindestens einen LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestellten Strom korreliert ist, wobei der erste Hilfsschalter (Q4) und der zweite Hilfsschalter (Q5) derart mit dem Buck-Hauptschalter (Q2) gekoppelt sind, dass durch die erste Spannung der Abschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) und durch die zweite Spannung der Einschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) festlegt ist. Die Erfindung betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) mittels eines Buck-Konverters.

Description

Beschreibung
Buck-Konverter und Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Ein- gangsanschluss zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Aus- gangsanschluss zum Anschließen der mindestens einen LED und einer Buckdiode, einer Buckdrossel und einem Buck- Hauptschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels eines Buck- Konverters .
Stand der Technik
Mit dem Vordringen von LEDs in weite Bereiche der Allgemeinbeleuchtung ergibt sich ein großer Bedarf an einfachen und kostengünstigen Stromversorgungsschaltungen für diese Bauteile. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von insbesondere integrierten Schaltungen, die für derartige Anforderungen konzipiert wurden. Lediglich beispielhaft seien hier angeführt die Bausteine LM3402 der Firma National sowie der Baustein LT3474 der Firma Linear Technology. Derartige integrierte Schaltungen sind jedoch für einen Einsatz in Massenprodukten häufig zu teuer. Es be- steht daher ein Bedarf an einer möglichst kostengünstigen Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen eingangs genannten Buck-Konverter derart weiterzubilden, dass er als möglichst kostengünstige Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED Anwen- düng finden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht überdies darin, ein geeignetes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels eines Buck-Konverters zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Buck-Konverter mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels einer Buck-Konverters mit den Merkmalen von Patentanspruch 17.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgaben gelöst werden können, wenn ein Buck- Konverter als Zweipunktregler für den an die mindestens eine LED bereitzustellenden Strom aufgebaut wird. Der Buck-Konverter soll insbesondere so aufgebaut werden, dass es ermöglicht wird, den Ein- und Ausschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters jeweils nur durch die Basis- Emitter-Flussspannung eines Kleinsignalbipolartransistors zu bestimmen. Dadurch ist der Maximalwert und der Minimalwert des Stroms durch die mindestens eine LED einstellbar und damit dessen Mittelwert und dessen Rippel. Aufgrund des bevorzugten Betriebs eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters aus einer Niedervolt-Gleichspannungsquelle, kann der Buck-Konverter im Continuous Mode betrieben werden, d. h. der Minimalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms ist ungleich Null. Besonders kostengünstig sind gegebenenfalls weitere benötigte aktive Schalter ebenfalls als Bipolartransistoren ausgebildet .
Bei der erfindungsgemäßen Realisierung wird demnach durch den ersten Hilfsschalter der Maximalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms festgelegt und durch den zweiten Hilfsschalter der Minimalwert dieses Stroms .
Durch diese Maßnahmen lässt sich eine äußerst einfache und kostengünstige Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED realisieren. Bei Verwendung von Bipolartransistoren für die elektronischen Schalter ergeben sich Realisierungskosten und ein Platzbedarf, die unter den entsprechenden Vergleichsgrößen einer Realisierung durch eine integrierte Schaltung liegen.
Wenngleich im Nachfolgenden die vorliegende Erfindung am Beispiel der Speisung aus einer Niedervolt-Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, dargestellt wird, so ist diese ohne weiteres durch Vorschal- tung einer entsprechenden Gleichrichtung aus einer Netzspannung (100 bis 230 V) speisbar, sofern zumindest die parallel zum Gleichrichterausgang gekoppelten Transistoren durch spannungsfeste Transistoren realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Spannung und die zweite Spannung derart dimensioniert, dass in der Freilaufphase des Buck-Konverters der erste Hilfsschalter vor dem zweiten Hilfsschalter in den nichtleitenden Zustand übergeht. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung an ohmschen Widerständen abzugreifen, die beide vom selben Strom durchflössen werden. Der Zeitpunkt, wann welcher Hilfsschalter in den nicht-leitenden Zustand ü- bergeht, kann dadurch auf besonders einfache Weise durch Dimensionierung des zugehörigen ohmschen Widerstands, an dem die entsprechende Spannung abgegriffen wird, eingestellt werden.
Bevorzugt weisen der erste und der zweite Hilfsschalter jeweils eine Steuerelektrode, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode auf, wobei die erste Spannung und die zweite Spannung zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des jeweiligen Hilfsschalters gekoppelt sind, wobei in der Freilaufphase des Buck-Konverters die zweite Spannung größer als die erste Spannung ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Buck- Konverter weiterhin einen ersten Shunt-Widerstand und einen zweiten Shunt-Widerstand, wobei die am ersten Shunt- Widerstand abfallende Spannung die erste Spannung darstellt und wobei die am zweiten Shunt-Widerstand abfallende Spannung die zweite Spannung darstellt. Wie bereits erwähnt, kann dann durch einfache Dimensionierung der Shunt-Widerstände festgelegt werden, wann der Buck- Hauptschalter ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden Maximal- und Minimalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms auf einfache Weise festgelegt.
Bevorzugt ist der erste Shunt-Widerstand derart angeordnet, dass er in der Aufladephase des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen wird. Da in der Aufladephase des Buck- Konverters noch kein Strom in dem Zweig fließt, in dem die Buckdiode angeordnet ist, ermöglicht eine derartige Anordnung des ersten Shunt-Widerstands die Einstellung des Maximalwerts des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms.
Dabei ist der erste Shunt-Widerstand bevorzugt zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und ein Bezugspotential gekoppelt. Dadurch ist die erste Spannung auf das Bezugspotential bezogen und ermöglicht eine besonders einfache Kopplung an den ersten Hilfstransistor, sofern dessen Bezugselektrode ebenfalls an das Bezugspotential gekoppelt ist.
Bevorzugt ist der zweite Shunt-Widerstand derart angeordnet, dass er in der Freilaufphase, nicht jedoch in der Aufladephase des Buck-Konverters, von dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen wird. Damit wird ermöglicht, die an den zwei Shunt-Widerständen abfallenden Spannungen, insbesondere in der Freilaufphase des Buck-Konverters, zueinander in Relation zu setzen. Die Aktivierung des ersten Hilfsschalters zur Beendigung der Aufladephase des Buck-Konverters ist damit von der zweiten Spannung unbeeinflusst .
Bevorzugt ist der zweite Shunt-Widerstand zwischen die Buckdiode und ein Bezugspotential gekoppelt. Auch dabei ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders einfache Kopplung der zweiten Spannung an den zweiten Hilfstran- sistor erfolgen kann, wenn dieser ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt ist.
Damit die erste und die zweite Spannung unmittelbar an den entsprechenden Shunt-Widerständen abgegriffen und an die entsprechenden Hilfsschalter gekoppelt werden können, ist bevorzugt der erste Shunt-Widerstand kleiner als der zweite Shunt-Widerstand. Dadurch können beide vom selben Strom durchflössen werden und es ist dennoch sichergestellt, dass die zweite Spannung in der Freilaufphase des Buck-Konverters größer ist als die erste Spannung.
Bei einer besonders kostengünstigen Realisierung sind zumindest der erste und der zweite Hilfsschalter als Bipolartransistoren ausgeführt, wobei die am ersten Shunt- Widerstand abfallende Spannung als Basis-Emitter-Spannung an den ersten Hilfsschalter und die am zweiten Shunt- Widerstand abfallende Spannung als Emitter-Basis-Spannung an den zweiten Hilfsschalter gekoppelt ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Buck- Konverter einen dritten Hilfsschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist, wobei die Bezugselektrode des dritten Hilfs- schalters mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des dritten Hilfsschalters mit der Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters gekoppelt ist, wobei die Steuerelektrode des dritten Hilfsschalters mit dem ersten und dem zweiten Hilfsschalter gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme steuern der erste und der zweite Hilfsschalter parallel den dritten Hilfsschalter an, der wiederum den Buck-Hauptschalter steuert. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der erste und der zweite Hilfs- Schalter jeweils eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweisen, wobei die Strecke Arbeitselektrode - Bezugselektrode des ersten Hilfs- schalters und die Strecke Arbeitselektrode - Steuerelektrode des zweiten Hilfsschalters parallel zur Steuerstre- cke, d. h. der Strecke Steuerelektrode - Bezugselektrode, des dritten Hilfsschalters gekoppelt sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, den ersten Hilfsschalter in Emitterschaltung zu betreiben und den zweiten Hilfsschalter in Basisschaltung. Dabei ist zwischen die Bezugs- und die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters die am ersten Shunt-Widerstand abfallende Spannung gekoppelt und zwischen die Steuer- und die Bezugselektrode des zweiten Hilfsschalters die am zweiten Shunt-Widerstand abfallende Spannung .
Besonders bevorzugt ist die Steuerelektrode des dritten Hilfsschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt. Dadurch wird sichergestellt, dass der dritte Hilfsschalter bei Anlegen einer Versorgungsgleichspannung an den Eingang des Buck- Konverters den Buck-Hauptschalter einschaltet, um ein An- laufen des erfindungsgemäßen Buck-Konverters zu ermöglichen .
Bevorzugt ist zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des dritten Hilfsschalters ein Kondensator gekoppelt. Dieser dient dazu, das Basispotential des dritten Hilfsschalters beim Übergang der Leitendzustände vom ersten Hilfsschalter auf den dritten Hilfsschalter
(Einfluss der Schaltzeiten der Buckdiode, des ersten und des zweiten Hilfsschalters) so niedrig zu halten, dass der dritte Hilfsschalter und damit der Buck-Hauptschalter während des Abmagnetisierens der Buckdrossel auf den gewünschten Minimalstrom sicher gesperrt bleiben.
Schließlich ist es bevorzugt, wenn die Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist. Dadurch wird das Ausräumen der Basis des Buck-Hauptschalters, so- fern dieser als Bipolartransistor realisiert wird, beschleunigt .
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Buck-Konverter vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel ei- nes erfindungsgemäßen Buck-Konverters unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters zeigt, näher dargestellt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausfüh- rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters. Dieser weist einen Eingang mit einem ersten El und einem zweiten Eingangsanschluss E2 auf, zwischen denen eine Niedervolt-Gleichspannungsquelle Vl mit vorliegend 9 V gekoppelt ist. Der Eingangsanschluss E2 ist mit einem Be- zugspotential gekoppelt. Zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 ist die Serienschaltung eines Buck-Hauptschalters Q2, einer Buckdiode Dl sowie eines ohmschen Widerstands R2 gekoppelt. Zwischen dem Verbindungspunkt des Buck-Hauptschalters Q2 und der Buckdio- de Dl einerseits und einem ersten Ausgangsanschluss Al ist eine Buckdrossel Ll gekoppelt. Zwischen dem Ausgangs- anschluss Al und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 ist eine LED, die im Schaltbild durch die Serienschaltung von D2, D3, D4 und D5 repräsentiert wird, gekoppelt. Zwischen den Ausgangsanschluss A2 und dem Bezugspotential ist ein ohmscher Widerstand R3 gekoppelt. Die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung wird über einen ohmschen Widerstand R7 an die Basis eines ersten Hilfsschalters Q4 gekoppelt, dessen Emitter ebenfalls mit dem Bezugspoten- tial gekoppelt ist. Der Kollektor des ersten Hilfsschal- ters ist über einen ohmschen Widerstand R4 mit dem ersten Eingangsanschluss El gekoppelt. Der Buck-Konverter weist weiterhin einen zweiten Hilfsschalter Q5 auf, dessen E- mitter mit dem Verbindungspunkt zwischen der Buckdiode Dl und dem ohmschen Widerstand R2 gekoppelt ist. Die Basis des zweiten Hilfsschalters Q5 ist über einen ohmschen Widerstand R6 ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt. Der Kollektor des zweiten Hilfsschalters Q5 ist über einen ohmschen Widerstand R5 mit dem Verbindungspunkt zwi- sehen dem ohmschen Widerstand R4 und dem Kollektor des ersten Hilfsschalters Q4 gekoppelt. Dieser Verbindungspunkt ist mit der Basis eines dritten Hilfsschalters Q3 gekoppelt, dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Der Kollektor des dritten Hilfsschalters Q3 ist über einen ohmschen Widerstand Rl mit der Basis des Buck- Hauptschalters Q2 gekoppelt. Zwischen die Basis des dritten Hilfsschalters Q3 und das Bezugspotential ist ein Kondensator Cl geschaltet. Zwischen die Basis des Buck- Hauptschalters Q2 und den ersten Eingangsanschluss ist ein ohmscher Widerstand R8 geschaltet. Zur Funktionsweise: Nach dem Anlegen einer Gleichspannungsquelle Vl zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 wird der dritte Hilfsschalter Q3 ü- ber den ohmschen Widerstand R4 in den leitenden Zustand geschaltet. Durch den vom Kollektor zum Emitter des dritten Hilfsschalters fließenden Strom wird über den ohmschen Widerstand Rl der Buck-Hauptschalter Q2 in den leitenden Zustand geschaltet. Die Aufladephase des Buck- Konverters hat begonnen. Dabei fließt ein Strom über den Buck-Hauptschalter durch die Buckdrossel, die LED D2 bis D5, über den ohmschen Widerstand R3 und das Bezugspotential zurück zum Ausgang E2.
Wenn die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung die Basis-Emitter-Schwellspannung des ersten Hilfsschal- ters Q4 von ca. 0,6 V überschreitet, wird der erste Hilfsschalter Q4 in den leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird der zuvor über den ohmschen Widerstand R4 an den dritten Hilfsschalter Q3 bereitgestellte Basisstrom über den ersten Hilfsschalter Q4 zum Bezugspotential ge- leitet. Der dritte Hilfsschalter Q3 geht dadurch in den nicht-leitenden Zustand über, wodurch als Folge der Buck- Hauptschalter Q2 ausgeschaltet wird. Die Freilaufphase des Buck-Konverters hat begonnen. In der Freilaufphase fließt ein Strom vom Bezugspotential über den ohmschen Widerstand R2, die Buckdiode Dl, die Buckdrossel Ll sowie die LED D2 bis D5 und den ohmschen Widerstand R3 zurück zum Bezugspotential. Durch die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung wird der zweite Hilfsschalter Q5 in den leitenden Zustand geschaltet und sorgt damit dafür, dass der dritte Hilfsschalter Q3 und damit der Buck- Hauptschalter Q2 sicher ausgeschaltet bleiben. In der Freilaufphase des Buck-Konverters geht der an die LED D2 bis D5 bereitgestellte Strom ILED kontinuierlich zurück, wobei jedoch aufgrund der gewählten Dimensionierung die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung immer größer ist als die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung. Dies führt dazu, dass zunächst der erste Hilfsschalter Q4 in den nicht-leitenden Zustand geschaltet wird. Da jedoch der zweite Hilfsschalter Q5 noch immer im leitenden Zustand ist, bleibt zunächst der dritte Hilfsschalter Q3 und damit der Buck-Hauptschalter Q2 ausgeschaltet. Erst wenn die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung soweit abgesunken ist, dass auch der zweite Hilfsschalter Q5 in den nicht-leitenden Zustand übergeht, kann der über den ohmschen Widerstand R4 flie- ßende Strom wieder zur Basis des dritten Hilfsschalters Q3 fließen, diesen einschalten und damit den Buck- Hauptschalter Q2 einschalten.
Demgemäß wird der obere Grenzwert des Stroms ILED bestimmt zu :
iLEDmax = UBEF (Q4 ) /R3
und der untere Grenzwert des LED-Stroms bestimmt zu:
iLEDmin = UBEF (Q5 ) /R2
Die Frequenz des dreieckförmigen Stroms ILED wird bestimmt durch die Eingangsspannung Vl, die an der LED D2 bis D5 abfallende Spannung, die Induktivität der Buckdrossel Ll sowie die Grenzwerte für den minimalen ILEDmin und den maximalen LED-Strom ILEDmax.

Claims

Ansprüche
1. Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) mit
- einem Eingang mit einem ersten (El) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle (Vl);
- einem Ausgang mit einem ersten (Al) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschließen der mindestens einen LED (D2, D3, D4, D5) ; und
- einer Buckdiode (Dl), einer Buckdrossel (Ll) und ei- nem Buck-Hauptschalter (Q2) , der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Buckdiode (Dl) und der Buck-Hauptschalter (Q2) seriell zwischen den ersten (El) und den zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt sind, wobei die Buckdrossel (Ll) zwischen den Verbindungspunkt der Buckdiode (Dl) und des Buck-Hauptschalters (Q2) einerseits und den ersten Ausgangsanschluss (Al) andererseits ge- koppelt ist, wobei der Buck-Konverter weiterhin umfasst:
- einen ersten Hilfsschalter (Q4) , dem eine erste Spannung (UR3) zugeführt wird, die mit dem an die mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestell- ten Strom (ILED) korreliert ist; und
- einen zweiten Hilfsschalter (Q5) , dem eine zweite Spannung (UR2) zugeführt wird, die mit dem an die mindestens einen LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestellten Strom korreliert ist, wobei der erste Hilfsschalter (Q4) und der zweite
Hilfsschalter (Q5) derart mit dem Buck-Hauptschalter
(Q2) gekoppelt sind, dass durch die erste Spannung der
Abschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) und durch die zweite Spannung der Einschaltzeitpunkt des
Buck-Hauptschalters (Q2) festlegt ist.
2. Buck-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (UR3) und die zweite Spannung (UR2) derart dimensioniert sind, dass in der Freilaufphase des Buck-Konverters der erste Hilfsschalter (Q4) vor dem zweiten Hilfsschalter (Q5) in den nichtleitenden Zustand übergeht.
3. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Q4) und der zweite Hilfsschalter (Q5) jeweils eine Steuerelektrode, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweisen, wobei die erste Spannung (UR3) und die zweite Spannung (UR2) zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des jeweiligen Hilfsschalters (Q4; Q5) gekoppelt sind, wobei in der Freilaufphase des Buck-Konverters die zweite Spannung (UR2) größer als die erste Spannung (UR3) ist.
4. Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Buck-Konverter weiterhin umfasst: - einen ersten Shunt-Widerstand (R3) , -einen zweiten Shunt-Widerstand (R2) , wobei die am ersten Shunt-Widerstand (R3) abfallende Spannung die erste Spannung (UR3) darstellt und wobei die am zweiten Shunt-Widerstand (R2) abfallende Spannung die zweite Spannung (Ur2) darstellt.
5. Buck-Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Shunt-Widerstand (R3) derart angeordnet ist, dass er in der Aufladephase des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestellten Strom (ILED) durchflössen wird.
6. Buck-Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Shunt-Widerstand (R3) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss (A2) und ein Bezugspotential gekoppelt ist.
7. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Shunt-Widerstand (R2) derart angeordnet ist, dass er in der Freilaufphase, nicht jedoch in der Aufladephase, des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) bereitgestellten Strom (ILED) durchflössen wird.
8. Buck-Konverter nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Shunt-Widerstand (R2) zwischen die Buckdiode (Dl) und ein Bezugspotential gekoppelt ist.
9. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Shunt-Widerstand (R3) kleiner ist als der zweite Shunt-Widerstand (R2) .
10. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Q4) und der zweite Hilfsschalter (Q5) als Bipolartransistoren ausgeführt sind, wobei die am ersten Shunt-Widerstand (R3) abfallende Spannung als Basis-Emitter-Spannung an den ersten Hilfsschalter (Q4) und die am zweiten Shunt-Widerstand (R2) abfallende Spannung als Emitter-Basis-Spannung an den zweiten Hilfsschalter (Q5) gekoppelt ist.
11. Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Buck-Konverter einen dritten Hilfsschalter (Q3) umfasst, der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist, wobei die Bezugselektrode des dritten Hilfsschalters (Q3) mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des dritten Hilfsschalters (Q3) mit der Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters (Q2) gekoppelt ist, wobei die Steuerelektrode des dritten Hilfsschal- ters (Q3) mit dem ersten (Q4) und dem zweiten Hilfs- schalter (Q5) gekoppelt ist.
12. Buck-Konverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Q4) und der zweite Hilfsschalter (Q5) jeweils eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweisen, wobei die Strecke Arbeitselektrode - Bezugselektrode des ersten Hilfs- Schalters (Q4) und die Strecke Arbeitselektrode
Steuerelektrode des zweiten Hilfsschalters (Q5) parallel zur Steuerstrecke, d.h. der Strecke Steuerelektrode - Bezugselektrode, des dritten Hilfsschalters (Q3) gekoppelt sind.
13. Buck-Konverter nach 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Bezugs- und die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters (Q4) die am ersten Shunt- Widerstand abfallende Spannung gekoppelt ist, und dass zwischen die Steuer- und die Bezugselektrode des zweiten Hilfsschalters (Q5) die am zweiten Shunt- Widerstand abfallende Spannung gekoppelt ist.
14. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des dritten Hilfsschalters (Q3) über einen ohmschen Widerstand (R4) mit dem ersten Eingangsanschluss (El) gekoppelt ist.
15. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des dritten Hilfsschalters (Q3) ein Kondensator (Cl) gekoppelt ist.
16. Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters über einen ohmschen Widerstand (R8) mit dem ersten Ein- gangsanschluss (El) gekoppelt ist.
17. Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) mittels eines Buck- Konverters, der einen Eingang mit einem ersten (El) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle (Vl); einen Ausgang mit einem ersten (Al) und einem zweiten Ausgangsan- schluss (A2) zum Anschließen der mindestens einen LED (D2, D3, D4, D5); eine Buckdiode (Dl), eine Buckdros- sei (Ll) und einen Buck-Hauptschalter (Q2) , der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist, umfasst, wobei die Buckdiode (Dl) und der Buck-Hauptschalter (Q2) seriell zwischen den ersten (El) und den zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt sind, wobei die Buckdrossel (Ll) zwischen den Verbindungspunkt der Buckdiode (Dl) und des Buck- Hauptschalters (Q2) einerseits und den ersten Aus- gangsanschluss (Al) andererseits gekoppelt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines ersten (Q4) und eines zweiten Hilfsschalters (Q5) ; b) Koppeln des ersten (Q4) und des zweiten Hilfsschalters (Q5) mit dem Buck-Hauptschalter (Q2) ; c) Zuführen einer ersten Spannung (UR3) , die mit dem an die mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) bereit- gestellten Strom (ILED) korreliert ist, an den ersten Hilfsschalter (Q4) ; d) Zuführen einer zweiten Spannung (UR2) , die mit dem an die mindestens eine LED (D2, D3, D4, D5) bereit- gestellten Strom korreliert ist, an den zweiten
Hilfsschalter; wobei in Schritt b) der erste Hilfsschalter (Q4) und der zweite Hilfsschalter (Q5) derart mit dem Buck- Hauptschalter (Q2) gekoppelt werden, dass durch die erste Spannung (UR3) der Abschaltzeitpunkt des Buck- Hauptschalters (Q2) und durch die zweite Spannung (UR2) der Einschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) festlegt wird.
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